Aplicação do alumínio no setor · • Poder calorífico (kcal/ kg) – gasolina 9.600 - etanol...

Aplicação do alumínio no setor

automobilístico: sustentabilidde e

eficiência energética

Encontro PDImat de João Pessoa – Outubro de 2018 – UFPB

Preparado por : Ayrton Filleti

Associação Brasileira do Aluminio

João Pessoa (PB) – Outubro/2018

Ayrton Filleti

• Engenheiro Metalurgista pela Escola Politécnica da USP,

• Curso de especialização em alumínio pela Escola Politécnica da USP,

• Mais de 45 anos de experiência na indústria do alumínio,

• Presidente Emérito, Diretor Técnico e Coordenador do Comitê de Tecnologia e Normalização da ABAL,

• Gestor do Comitê Brasileiro de Normas Técnicas do Alumínio ABNT/CB-035,

• Membro do Conselho Técnico da ABNT,

• Membro do Conselho de Administração da ABMbrasil

Conteúdo

• Introdução

• Características/ propriedades do alumínio

• Contextualização

• Evolução e inovação na Indústria do Alumínio

• Aplicações do alumínio na Indústria Automotiva

• E o Brasil?

• Comentários finais

Introdução

15/05/1970 33

associadas

Fundação

PROMOVER O

ALUMÍNIO E DISSEMINAR

CONHECIMENTO

INCENTIVAR

NOVAS

APLICAÇÕES

PROMOVER A

COMPETITIVIDADE

DA INDÚSTRIA

PROMOVER PADRÕES DE

SAÚDE, SEGURANÇA E

MEIO AMBIENTE

PUBLICAR

ESTATÍSTICAS DA

INDÚSTRIA

ELABORAR E

DIVULGAR NORMAS

TÉCNICAS

REPRESENTAR A

INDÚSTRIA EM TODOS

OS NÍVEIS DO GOVERNO

Objetivos

53,3

22,8

13,811,0

1,7 0,6 0,4

0

15

30

45

60

Alumínio Cobre Zinco Chumbo Níquel Magnésio* Estanho

Aço : 1,7 bilhão de toneladas

milh

ões

de

to

nel

adas

50,3 kt

Al 130 anos

Cu, Pb, Sn milhares de anos

Fontes: World Metal Statistics – March/2015 e para o aço: site - World Steel Association – 2015 (*) – estimativa Metal Pages – relativo a ano de 2009

9

Consumo de metais

Produção mundial de metais

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0

10

20

30

40

50

60

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016

Zn Pb

Ni

Cu

Fontes: World Metal Statistics e Worldsteel Association

Aço

Al

Crescimento médio anual no período

Alumínio 4,8% Níquel 2,7% Chumbo 3,1% Cobre 2,9% Aço 2,1%

Zinco 1,6%

(milh

ões

de

ton

elad

as) (b

ilhõ

es de to

nelad

as)

Composição 2016 2017

Empregos: - Diretos 119.178 114.967

- Indiretos 323.554 299.910

Faturamento (US$ bilhões) 18,2 20,5

Produção de alumínio primário (mil t) 790 802

Consumo doméstico (mil t) 1.205 1.263

Consumo per capita (kg/hab/ano) 5,8 6,1

Balança comercial (US$ bilhões) - Saldo: 2.238 2.525

- Exportações 3.577 3.958

- Importações 1.339 1.433

Fonte: ABAL, Anuário Estatístico, 2017

Indústria brasileira do alumínio

Consumo per capita (2016)

kg/

hab

itan

te

Fonte: Anuário Estatístico ABAL 2017

Indústria do alumínio – O Brasil no mundo

Brasil Argentina

Média ~ 29 Kg/hab

kg

Bauxita

5 kg

(minério – 50% Al2O3) Alumina

2 kg Alumínio primário

1 kg O metal obtido tem pureza “comercial” de 99,9% a 99,7%

Principais impurezas: Fe e Si (0,15% a 0,30%)

Outras impurezas em menor teor: Zn, Mg, Mn e Ti

13

Produção do alumínio primário

Consumo energético na indústria do alumínio Intensidade do consumo energético (GJ/ton)

Fonte: ABAL, Alumínio brasileiro: soluções para uma vida sustentável, 2017

14,5 kWh/kg

Características do alumínio

Leveza

Seu baixo peso específico (densidade) em relação a outros materiais

faz do alumínio uma excelente solução em diversos segmentos

industriais.

Dois terços mais leve que o aço, o alumínio representa para o setor de

transportes, por exemplo, menor desgaste, maior capacidade de carga,

menor consumo de combustível e redução de emissões poluentes, uma

exigência das futuras gerações para a proteção do meio ambiente.

Peso específico:

Alumínio - 2,70 g/ cm3

Aço - 7,86 g/ cm3

Cobre - 8,96 g/ cm3

Magnésio - 1,7 g/ cm3

Características do alumínio

Resistência mecânica

Características do alumínio

Ductilidade/Maleabilidade

Características do alumínio

Condutividades elétrica e térmica

Características do alumínio

Material Condutividade térmica (W/m°C)

Prata 426

Cobre 398

Alumínio 237

Tungsténio 178

Ferro 80,3

Vidro 0,72 - 0,86

Água 0,61

Tijolo 0,4 - 0,8

Madeira (pinho) 0,11 - 0,14

Fibra de vidro 0,046

Espuma de poliestireno 0,033

Ar 0,026

Características do alumínio

Formação natural de camada de Al2O3 conferindo excelente

resistência à corrosão. Ideal para aplicações marítimas.

Resistência à corrosão

Características do alumínio

Alta absorção de energia de impacto

Não produz faíscas

Características do alumínio

Refletividade

Características do alumínio

- O alumínio pode ser reciclado infinitas vezes sem perder suas

características físico-químicas. Utensílios domésticos, latas de bebida,

esquadrias, autopeças, entre outros, podem ser reciclados e empregados

na fabricação de novos produtos.

- Além de economizar recursos naturais e energia elétrica (95% da energia

utilizada para produzir alumínio primário), a reciclagem oferece ganhos

sociais e econômicos.

• Todas as embalagens contendo alumínio são recicláveis,

mesmo as compostas com outros materiais;

• Pelo décimo primeiro ano consecutivo, o Brasil é líder

mundial de reciclagem de latas de alumínio;

24

Reciclabilidade

Características do alumínio

bauxita alumina lingote de Al

Obtenção de alumínio primário

1 ton + 14.500 kWh Reciclagem

sucata 1 ton + 725 kWh

Trefilação

Laminação

Extrusão

Estampagem Forjamento

Versatilidade

Características do alumínio

Fundição

Pintura

Soldagem Anodização

Corte

Versatilidade

Características do alumínio

Contextualização

• Meio Ambiente – emissões

NOx, CO, material particulado;

• Mudança do clima – gases estufa

CO2;

• Consumidores optando por

tamanhos, economia de combustível,

segurança e conforto.

“Durante o século XX, os veículos mudaram a sociedade...

no século XXI a sociedade mudará os veículos”

Evolução dos automóveis

1350 kg

900 kg

Peso dos veículos

Fonte: International Energy Agency – IEA, 2012

Geração de CO2

• Consumo de combustível

– km/ l

• Emissões de CO2

– g de CO2/ km

Unidades padrão

• Combustão - completa

– Gasolina C8H18 + O2 + N2 = CO2 + H2O + N2

– Etanol

C2H6O + O2 + N2 = CO2 + H2O + N2

• Combustão incompleta - Geração de gases poluentes

• CO • SO2

• NOx

• C (fuligem)

• Poder calorífico (kcal/ kg) – gasolina 9.600 - etanol 6100

Emissões veiculares

Gases de efeito estufa

• CO2 - Dióxido de Carbono

• N2O - Óxido nitroso

• CH4 - Metano

• CFCs – Clorofluorcarbonetos

• HFCs - Hidrofluorcarbonetos

• PFCs - Perfluorcarbonetos

• SF6 - Hexafluoreto de enxofre

400

300

240

200171

150133 125

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

6 8 10 12 14 16 18 19

Consumo de combustível km/litro

CO2 g/ km

Emissões de CO2 x Consumo de

combustível

Legislações em Aprovação

UE EUA Japão

Ano de vigência 2012/2015 2001

progressiva 2015

Valores 130g CO2/km

90g CO2/km (2020)

13,6 km/l (2015)

25,0 km/l (2025) 16,8 km/l

Penalidades multas multas a definir

Fonte: Ducker Worldwide, 2014

• Brasil – Novo Regime Automotivo, Inovar-Auto

– Emissão de CO2 = 135 g/ km (2017)

– Consumo = 17,23 km/l

– A partir de Fevereiro de 2017

– Esse novo regime está terminado e os resultados não

foram os esperados

• Rota 2030

– Nova legislação ainda não aprovada, em discussão

entre MDIC e Ministério da Fazenda

Legislação - Brasil

Visão Europeia Times Magazine - UK (July 2008)

• Pesquisa feita por Ducker Inc. junto aos especialistas de

montadoras americanas, apontou os seguintes itens como

importantes na redução de emissões veiculares:

– Tecnologia de motores (tamanho, turbo, injeçao direta)

– Diminuição de massa dos carros

– Carros híbridos

– Atrito das rodas

– Aerodinâmica

• Outras alternativas

– Downsizing

– Carros elétricos

Redução de emissões de CO2

Carros elétricos e híbridos

Fonte: Ducker Corporation

Source: Volkswagen AG

aerodynamic

Resistance to

acceleration

resistance to

movement

Resistance to the slope

Fator massa do veículo

VINCOS: "cortes" e "traços" na carroceria ajudam na economia de combustível

Os vincos que você vê em boa parte dos carros mais recentes (especialmente nos

médios e médios-grandes) não são apenas caprichos dos designers. Eles servem

para facilitar o caminho do ar ao longo da carroceria, jogando-o para trás do carro.

Assim fica mais fácil vencer a resistência do ar, algo fundamental para a economia de

combustível. Além disso, eles contribuem para uma menor vibração da lataria.

Aerodinâmica

Diminuir o peso estrutural dos veículos, ou

manter seu peso em razão dos adicionais

recursos tecnológicos, é um desafio

constante da Indústria Automotiva e de

Transportes

Uso de materiais de baixa densidade

Redução de emissões

Aço de alta resistência Titânio Alumínio

Magnésio Plástico Compósitos

Materiais de escolha das automobilísticas

Uso de materiais mais leves

Eficiência e Sustentabilidade

Cada 10% de redução de peso nos

automóveis representa um aumento de 5

a 10% em eficiência de combustível

Cada 1 kg de redução de peso diminuirá

20 kg de emissão de CO2 (gás de efeito

estufa), durante a vida útil do veiculo

(~160.000 km)

Fontes: Aluminum Association, 2012 e International Aluminum Institute, 2008

Benefícios da redução de peso

Evolução e inovações na

Indústria do Alumínio

• Um dos primeiros veículos utilizando alumínio

• Painéis em peças de alumínio fundidas

1904 – Modêlo “Great Arrow” - USA

Primórdios

• Fundição de peças

– ligas compatíveis vis a vis ferro fundido

• Laminação - chapas de alumínio

– Resistência mecânica compatível

– Estampabilidade similar ao aço carbono

– Tratamento térmico adaptado ao processo

– Chapas multiligas

• Extrusão

– Formas/ geometrias adequadas

– Tecnologia de ferramental

• Forjamento

• Processos de união

Evolução da indústria do Alumínio

• Fundição

– Desenvolvimento de ligas para substituir o ferro fundido

• Compatível com as características químicas da reciclagem de sucata

– Todos processos de fundição são aplicáveis

– Destaque para a fundição semissólida, para aplicações de alta responsabilidade de resistência mecânica, em substituição ao aço

– Cerca de 70% do alumínio utilizado na indústria automobilística correspondem a peças fundidas (EUA e Europa)

– Futuro – peças obtidas por “additive manufacturer”

Evolução da indústria do Alumínio

Bloco de motor

Veículo: Carro compacto | 1250 kg | gasolina | ~13,3 Km/litro

Componente: Bloco de motor | em alumínio: 16,4 kg

| em ferro fundido: 31 kg

Diferença de massa: 14,6 kg

Redução de massa indireta: 3,4 kg

Redução efetiva de peso: 18 kg

Redução de emissões:

150 kg de CO2 após 100 mil Km rodados

Fonte: International Aluminium Institute (IAI), 2007

Ferro fundido Alumínio

Peça fundida – Processo convencional

• Desenvolvimento de ligas com características muito próximas aos aços

– Endurecíveis por encruamento e ou tratamento térmico

– Composição química

– Propriedades mecânicas

L. Resistencia L. Escoamento Módulo de elasticidade

295 MPa 275 MPa 70 GPa

chemical composition ( wt % )

alloy Si Fe Cu Mn Mg Cr

5754 0.40 0.40 0.10 0.50 2.6 - 3.6 0.30

5182 0.20 0.35 0.15 0.20 - 0.50 4.0 - 5.0 0.10

6111 0.6 - 1.1 0.40 0.50 - 0,9 0.10 - 0.45 0.50 - 1.0 0.10

6016 1.0 - 1.5 0.50 0.20 0.20 0.25 - 0.6 0.10

Laminação - Chapas

YS = limite de escoamento t = espessura

Na média, considerando as propriedades mecânicas do aço carbono e das ligas de

alumínio (ligas 6XXX e 5XXX), a redução de peso é da ordem de 50%

YS alu t alu2 ≥ YS steel t steel

2

t alu ≥ t steel

YS alu

YS steel

Cálculo da espessura da chapa de alumínio

• Tratamento térmico – ligas 6XXX – Após aquecimento a 500 – 5500C, resfriamento em água

• propriedades mecânicas diminuídas (diferente do aço)

• Nesse estágio de propriedades mecânicas e fornecido às montadoras

– Tratamento térmico de endurecimento é feito a temperaturas da ordem de 1700C

• Importante aumento das propriedades mecânicas

• Essa temperatura é praticamente igual à temperatura da estufa da linha de pintura das montadoras

Chapas para fechamento

Tratamento térmico – série 6XXX

Tratamento térmico

Tratamento térmico

• Chapas estampadas – suprida às montadoras com características de alta ductilidade

• Após pintura e secagem na estufa, incremento nas propriedades mecânicas (importante endurecimento da chapa)

Chapas para fechamento

Partes obtidas de chapas de alumínio laminadas

Chapas de fechamento carrocerias

• Processo de transformação mecânica “exclusivo” pra o alumínio

• Ferramentas - “coração” do processo

• Notáveis avanços na fabricação do ferramental

• Propriedades mecânicas definidas durante o processo de transformação mecânica

• Ligas desenvolvidas destinadas à aplicação em transportes – Série 6XXX – AlMgSi

– Série 7XXX – AlZnMgCu

• Peças “incríveis” sendo fabricadas para indústria automotiva

Extrusão

Tarugo de alumínio

Ferramenta pistão

perfil

Temperatura tarugo = 5200C

Extrusão

Mercedes SL

door sill piso

Extrusão

Braço de suspensão – VW/ Audi

Peça forjada - Liga 6082 T6

30% + leve que em aço

Braço de suspensão

Peça extrudada - Liga 6082 T6

Fonte: The Aluminium Automotive Manual, EAA

Extrusão e Forjamento

• Todos os processos convencionais são aplicáveis

– MIG (Metal Inert Gas)

– TIG (Tungsten Inert Gas)

– Brasagem

– Solda a laser

– Solda a ponto

– Friction stir welding

– Rebitagem

e

colagem (utilização de adesivos)

Processos de união

Aplicações do alumínio na

Industria Automotiva

Consumo de Alumínio por segmento - 2016

65

%

Fonte: Anuário Estatístico 2017, ABAL

Principais Aplicações do Alumínio

Evolução consumo de Al em veiculos

38

5563

75

50

96

75

117

99

139

118

154

134

176

148

212

165

236

187

0

50

100

150

200

250

1975 85 95 5 15 2025

EUA + Can

Europa

Kg/ veículo

Fonte: Ducker Report 2017

Fundidos Laminados

Extrudados Forjados

180 kg 211 kg

2015

Fonte: Ducker Worldwide, 2017

Participação dos produtos de alumínio –

América do Norte

2020

Evolução

Motor

Suspensão Transmissão

Peças estruturais

Fonte: Honsel/ Magal

Aplicações de fundidos em Al

Blocos de motor

Liga: SF 36, GD-AlSi9MgMn

Dimensões: 933 x 560 x 217 mm / 906 x 723 x 198 mm

Peso: 9.5 kg / 10.5 kg

Rp0.2: 140 - 170 N/mm²

Rm: > 200 N/mm²

Alongamento A5: > 8 %

Tratamento térmico:T 7

Rp0.2: 135 - 165 N/mm²

Rm: > 200 N/mm²

Alongamento A5: > 6.5 %

Tratamento térmico: T 2

Suspensão de motores

• Estudo realizado pela Universidade de Aachen

(2010)

– Carroceria do carro analisada em detalhes para

selecionar o material mais adequado para cada

parte

– Importante análise de resistência mecânica x

rigidez

Uso em carrocerias

Fontes: ika - University of Aachen; EAA - European Aluminium Association

Carroceria - Pesquisa

Steel Aluminium

Components

Fontes: ika - University of Aachen; EAA - European Aluminium Association

Potencial de redução de peso

Carroceria

• Resumo do estudo

– A “melhor” estrutura usando alumínio reduz 40% o peso da carroceria (239 kg), sem comprometer os critérios de segurança;

– A “melhor” estrutura usando aço de alta resistência reduz somente 11% do peso da carroceria

Carroceria - Pesquisa

Fonte: Ducker Analyisis

Tendências de utilização

(Projeto 2009)

Audi A8

Projeto Audi – A8

Oportunidades

Portas - automóveis

Aplicações

Teto do Land Rover - 2012

Carroceria

• Veiculo mais vendido nos

Estados Unidos nos

últimos 37 anos

• Em 2013 – vendidos 750

mil unidades

• Novo modelo será lançado

em Outubro de 2014

• Liga de alumínio super

resistente

• Toda cabine e caçamba

em alumínio – 455 kg

• 320 kg mais leve que os

modelos anteriores

Ford pick-up F-150

Ford pick-up F-150

Preço ao consumidor

Modelo 2015 custa apenas $395 acima da versão 2014,

incluindo diversos novos equipamentos e tecnologias.

Lançamento de novo design sempre implica em aumento de

preço

Fonte: Ford Motor Company │Disponível em: www.drivealuminum.org (ago/2016)

Ford pick-up F-150

E o Brasil?

Indústria Brasileira do Alumínio - Consumo

por segmento em 2016

Total = 1.263 mil

toneladas de alumínio

(2017)

85

Consumo

Fonte: ABAL, Anuário Estatístico, 2016

Uso de alumínio – automóveis e veículos

leves no Brasil

ano

Consumo de fundidos

*Mil toneladas

Fonte: Anuário Estatístico 2017, ABAL

América do Sul

Consumo de alumínio em veículos

Cenário atual - Brasil

time

Evolução – Brasil

89

South America Engine Block

demand (M Units)

2005 2000

3,0

2015

3%

4%

2010 2018

3,8

2020 2025

100% 1,9 2,6 3,6 2,4 2,9

Al Fe

Source: Nemak Brazil; October, 2018

Blocos de motor participação do

alumínio

Defletor de calor

Aplicação de chapas

Brasil

EUA

Representação da aplicação do alumínio

na Industria Automotiva - estimativa

Maturidade – uso do alumínio

• A Indústria Automotiva no Brasil ainda não estava totalmente conscientizada da importância da redução das emissões ???

• O Inovar-Auto, programa do MDIC lançado ha 5 anos, estabelece aumento da eficiência energética dos veículos, e como consequência atingimento de níveis de emissões de 135 g CO2/ km (semelhante à europeias), com vigência em 2017.

– Lamentavelmente, de acordo com pesquisas, somente 03 montadoras conseguirão atingir essa meta

Conscientização

Comentários finais

• Após os metais ferrosos, o alumínio é o material mais importante para a indústria automotiva;

• O alumínio apresenta maior potencial de redução de peso em relação ao aço de alta resistência, garantindo segurança veicular semelhante ou superior;

• Redução de peso garante redução de consumo de combustível e de emissões poluentes (gases de efeito estufa);

• A utilização de ligas de alumínio compatíveis aos esforços, permitirá uma redução de peso, em média, de 40% - 50 % em relação à mesma peça em material ferroso.

Comentários finais

O uso de alumínio em veículos montados no Brasil deveria crescer, pelo forte apelo da sustentabilidade, que migrará dos países desenvolvidos para os emergentes, aliada ao processo de globalização dos veículos, e para atender os limites de emissões e eficiência energética preconizados pelo Inovar-Auto, no entanto esse programa não apresentou os resultados esperados;

O crescimento no Brasil se dará principalmente no setor de fundidos, o que já vem ocorrendo nos novos modelos de algumas montadoras.

Comentários finais

Comentários finais

A Industria Automotiva ainda não aplica o alumínio em

peças oriundas de produtos laminados e extrudados.

Não há demanda suficiente ainda para encorajar as

produtoras de alumínio no Brasil a se equiparem,

principalmente em produtos laminados.

Por outro lado nos EUA e UE, em razão da crescente

demanda de laminados, as grandes laminadoras estão

investindo fortemente no aumento da capacidade de

produtos laminados.

Em tempos ruins, não desanimem …sejam criativos

CURSOS

Outubro

04 e 05 A Importância do controle de processo para aumento da eficiência na

extrusão de alumínio

24 e 25 Otimização da operação de Fornos de Reverbero – rendimento metálico e

minimização de consumo de energia

15, 17, 19,

22, 24 e 26

Fundamentos do alumínio: Processos, propriedades e aplicações (Curso

Web)

30 e 31 Metalurgia do alumínio para não metalurgistas

Novembro

06 Ligas de alumínio de alta resistência: Características e principais

aplicações

07 e 08 Fornos Rotativos - Aspectos operacionais e sua otimização

WEBINAR

Outubro 10 Fachadas unitizadas: Tendências de aplicação do alumínio

29 Reciclagem de Alumínio: Cenário, processo e perspectivas

Novembro 08 Técnicas de união do alumínio no setor automotivo

98

Mais informações: www.abal.org.br

Programação - Próximas Atividades

Perguntas posteriores sobre esta

palestra poderão ser feitas através:

aluminio@abal.org.br

Centro Cultural do Alumínio

•R. Humberto I, 220 – 4º andar – CEP 04018-030 – São Paulo (SP)

•Tel.: 55+ (11) 5904-6450 – www.abal.org.br – alumínio@abal.org.br